航空三级式起动发电系统起动阶段励磁控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁机全程两相交流励磁控制方法。电机起动过程中励磁机全程采用两相交流励磁，通过励磁机励磁电流闭环控制确定调制电压矢量幅值，通过电机转速参考确定调制电压矢量相位角。本发明专利技术方法应用于三级式无刷同步起动发电系统起动阶段时，可以保证励磁机励磁磁场大小恒定、转子电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速恒定，最终实现主发电机励磁电流在电机整个起动过程中都能保持恒定，以此减小主发电机变频起动控制的复杂性。

【技术实现步骤摘要】
航空三级式起动发电系统起动阶段励磁控制方法
本专利技术属于航空交流电机
，具体涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷同步起动/发电系统起动阶段励磁机励磁控制方法，是一种起动阶段全程采用两相交流励磁，且通过励磁电流闭环控制及转速参考调制来实现主发电机励磁电流在起动过程中保持恒定的励磁控制方法。
技术介绍
目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机作为发电机，发动机由独立的专用起动机进行起动。这样的发动机-电源系统包括两套电机，使得系统体积重量增大、可靠性降低。若能实现电机起动发电一体化，就可以简化发动机-电源系统，减小系统体积重量，提高系统可靠性。一种简单可行的起动/发电一体化实现办法是在现有电源系统的基础上，直接省去专用的起动机，将三级式无刷同步发电机运行在电动状态来带动航空发动机起动。基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统如图1所示，励磁机励磁绕组为相差90°的两相绕组。电机在起动阶段，两相励磁机由两相逆变器供电；电机进入发电状态后，将励磁机两相励磁绕组进行串联后由机载发电机控制单元(GCU)控制供电，采用传统的直流励磁方式。因为励磁机两相励磁绕组在两相交流励磁方式下产生旋转磁场，故即使电机处于静止和低速起动阶段，励磁机励磁效率也很高，可以为主发电机提供足够的励磁电流；电机进入发电状态后，两相励磁机因为励磁绕组串联从本质上变为单相励磁机，与传统的三级式无刷同步发电机结构相同，可以采用已有的技术成熟的控制方法。所以基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统具有一定的优势。三级式无刷同步起动/发电系统在带载起动过程中，主发电机励磁电流随转速变化会引起主发电机励磁磁场不恒定，这无疑对主发电机的最优起动控制增加了复杂性。如果能在电机起动过程中保持主发电机励磁电流恒定，进而保持主发电机励磁磁场恒定，则可以在很大程度上减小主发电机最优起动控制的复杂性。当电机转动时，主发电机励磁绕组随转子旋转。在不添加电刷滑环等设备的情况下主发电机励磁电流无法获得，所以不能针对主发电机励磁电流进行闭环控制以保证其在电机起动过程中基本保持恒定。主发电机励磁电压由励磁机转子电枢电压经旋转整流器整流后提供，所以在电机起动过程中，如果能保证励磁机转子输出电压恒定，进而使得主发电机励磁电压恒定，就能保证主发电机励磁电流基本恒定。励磁机转子输出电压与励磁机励磁磁场大小和电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速相关。在电机起动过程中，如果能实时保持励磁机励磁磁场大小和电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速恒定，则励磁机电枢输出电压就可以基本保持恒定。在电机加速起动过程中，如果励磁机采用直流励磁，通过电流闭环控制可以保证励磁机励磁磁场恒定，但随着电机转速的升高，电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速势必会变化。如果励磁机全程采用两相交流励磁，一方面可以通过励磁电流闭环控制保证励磁磁场大小恒定，另一方面可以根据电机转速实时调整励磁频率，改变励磁磁场旋转转速，保证电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速恒定。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于两相励磁机的航空三级式无刷同步起动/发电系统起动阶段励磁机全程交流励磁控制方法，解决的技术问题主要为：在电机起动过程中对两相励磁机进行全程两相交流励磁控制，使得主发电机励磁电流在电机整个起动过程中都能保持恒定。技术方案一种航空三级式起动发电系统起动阶段励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在电机静止时，采用励磁电压为U0、励磁频率为f0的两相交流励磁方式对两相励磁机进行励磁，并测量此时励磁机励磁电流幅值为iref，作为电流闭环控制的参考值；所述U0为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压值；所述为电机静止时两相励磁机励磁频率，其中pn为两相励磁机极对数；所述电机起动过程转速中间值nmax电机起动过程中的最高转速值，单位为转/分钟；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：步骤2.1：通过电流采样模块获取励磁机两相励磁电流的瞬时值，分别记为iα和iβ；使用公式计算当前励磁电流矢量的幅值，记为is；步骤2.2：计算励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差，记为电流误差ei，即ei＝iref-is；对电流误差ei进行PI调节，通过计算出两相励磁机当前调制电压矢量幅值U；其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与中间转速ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角；nr为转速传感器获取当前电机转速，单位为转/分钟；当前转速nr小于中间转速ns(nr<ns)时，两相励磁电流产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过公式θk＝θk-1+Δθ获得当前电压矢量相位角θk；其中，θk-1为上一个计算周期时刻的电压矢量相位角，Δθ＝2πfets为电压矢量相位角的增量，ts为计算周期；当前转速nr大于等于切换转速ns(nr≥ns)时，两相励磁电流产生的旋转磁场与电机旋转方向相同；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过公式θk＝θk-1-Δθ获得当前电压矢量相位角θk；其中，θk-1为上一个计算周期时刻的电压矢量相位角，Δθ＝2πfets为电压矢量相位角的增量，ts为计算周期；步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。所述的两相逆变器为双单桥两相逆变器、三相全桥逆变器或双全桥两相逆变器。所述的电压调制方法为空间矢量脉宽调制方法SVPWM或正弦波脉宽调制方法SPWM。所述的转速传感器为旋转变压器、光电编码器或霍尔传感器。有益效果本专利技术提出的一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁机全程两相交流励磁控制方法。电机起动过程中励磁机全程采用两相交流励磁，通过励磁机励磁电流闭环控制确定调制电压矢量幅值，通过电机转速参考确定调制电压矢量相位角。本专利技术方法应用于三级式无刷同步起动发电系统起动阶段时，可以保证励磁机励磁磁场大小恒定、转子电枢绕组相对于励磁磁场的相对转速恒定，最终实现主发电机励磁电流在电机整个起动过程中都能保持恒定，以此减小主发电机变频起动控制的复杂性。附图说明图1：基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统结构示意图图2：本专利技术方法原理框图图3：双全桥两相逆变器拓扑图图4：本专利技术实施例的系统硬件结构示意图图5：主发电机反电势有效值随电机转速变化的趋势图6：主发电机反电势有效值与电机转速的商随电机转速变化的趋势图7：两相励磁机励磁电流在中间转速附近的变化曲线具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术方法的原理框图如图2所示，励磁机两相电流经过采样、计算、滤波处理得到当前电流矢量幅值，与电流参考值求差后通过PI控制获得当前调制电压矢量幅值；通过比较当前转速与中间转速的大小，选择不同的相位角计算公式获取调制电压矢量相位角。调制电压矢量经过PWM调制方法驱动两相逆变器给两相励磁机供电。本实施例中两相逆变器采用双全桥两相逆变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空三级式起动发电系统起动阶段励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在电机静止时，采用励磁电压为U0、励磁频率为f0的两相交流励磁方式对两相励磁机进行励磁，并测量此时励磁机励磁电流幅值为iref，作为电流闭环控制的参考值；所述U0为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压值；所述为电机静止时两相励磁机励磁频率，其中pn为两相励磁机极对数；所述电机起动过程转速中间值nmax电机起动过程中的最高转速值，单位为转/分钟；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：步骤2.1：通过电流采样模块获取励磁机两相励磁电流的瞬时值，分别记为iα和iβ；使用公式计算当前励磁电流矢量的幅值，记为is；步骤2.2：计算励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差，记为电流误差ei，即ei＝iref‑is；对电流误差ei进行PI调节，通过U＝Kp·ei+Ki∫eidt计算出两相励磁机当前调制电压矢量幅值U；其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与中间转速ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角；nr为转速传感器获取当前电机转速，单位为转/分钟；当前转速nr小于中间转速ns时，两相励磁电流产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过公式θk＝θk‑1+Δθ获得当前电压矢量相位角θk；其中，θk‑1为上一个计算周期时刻的电压矢量相位角，Δθ＝2πfets为电压矢量相位角的增量，ts为计算周期；当前转速nr大于等于切换转速ns时，两相励磁电流产生的旋转磁场与电机旋转方向相同；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过公式θk＝θk‑1‑Δθ获得当前电压矢量相位角θk；其中，θk‑1为上一个计算周期时刻的电压矢量相位角，Δθ＝2πfets为电压矢量相位角的增量，ts为计算周期；步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。...

【技术特征摘要】
1.一种航空三级式起动发电系统起动阶段励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在电机静止时，采用励磁电压为U0、励磁频率为f0的两相交流励磁方式对两相励磁机进行励磁，并测量此时励磁机励磁电流幅值为iref，作为电流闭环控制的参考值；所述U0为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压值；所述为电机静止时两相励磁机励磁频率，其中pn为两相励磁机极对数；所述电机起动过程转速中间值nmax电机起动过程中的最高转速值，单位为转/分钟；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：步骤2.1：通过电流采样模块获取励磁机两相励磁电流的瞬时值，分别记为iα和iβ；使用公式计算当前励磁电流矢量的幅值，记为is；步骤2.2：计算励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差，记为电流误差ei，即ei＝iref-is；对电流误差ei进行PI调节，通过U＝Kp·ei+Ki∫eidt计算出两相励磁机当前调制电压矢量幅值U；其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与转速中间值ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角；nr为转速传感器获取当前电机转速，单位为转/分钟；当前转速nr小于转速中间值ns时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦宁飞，刘卫国，孟涛，骆光照，毛帅，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61